CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.4 Đánh giá biến đổi khí hậu
1.4.1 Khái niệm
Đánh giá BĐKH là một khái niệm hết sức rộng. Trên qui mô toàn cầu, đánh giá BĐKH nhằm trả lời được những câu hỏi như: Làm thế nào để xác định và giám sát được nhiệt độ bề mặt Trái đất trong quá khứ và trong tương lai? Ý nghĩa và tính hữu dụng của nhiệt độ trung bình toàn cầu là gì? Khí hậu Trái đất đã thay đổi như thế nào trong thế kỷ qua, trong thời kỳ băng hà trẻ và trước nữa, và từ đó có thể suy luận gì về dao động tự nhiên của khí hậu trước thời kỳ công nghiệp hóa của con người? Hoặc, xu thế nóng lên toàn cầu hiện nay như thế nào so với những biến động khí hậu trong quá khứ, và có phải xu thế nóng lên hiện nay chỉ là sự dao động tự nhiên của khí hậu chứ không phải trực tiếp do con người tạo ra các khí nhà kính? Các mô hình khí hậu đáng tin tưởng đến mức nào khi cho rằng các khí nhà kính là nguyên nhân chính gây ra sự tăng nhiệt độ trong thế kỷ 20 và dự báo rằng sẽ tác động mạnh hơn trong thế kỷ 21? v.v..
Hiểu một cách đơn giản, đánh giá BĐKH là xác định xem khí hậu có biến đổi không, nếu có thì biến đổi như thế nào, và những nguyên nhân nào cũng như tầm quan trọng của chúng gây ra sự biến đổi đó.
Theo Rapp (2008), về mặt khoa học, các nhà khí tượng học, khí hậu học và vật lí khí quyển, những người có trách nhiệm nghiên cứu sự đóng góp vào hiệu ứng nhà kính toàn cầu do con người, đã kiên trì đấu tranh cho tầm quan trọng của vấn đề này, trong khi cộng đồng các nhà vật lí năng lượng mặt trời, đặc biệt những người quan tâm đến mối quan hệ mặt trời – Trái đất lại nhấn mạnh hơn về tầm quan trọng của những dao động dài hạn của hằng số mặt trời như là nguyên nhân chính gây nên BĐKH.
Do đó, đánh giá BĐKH là đánh giá sự biến đổi của khí hậu quá khứ, khí hậu hiện tại và khí hậu tương lai trên cơ sở phân tích sự biến đổi của các yếu tố và hiện tượng khí hậu, đồng thời xem xét vai trò của các tác nhân gây nên sự biến đổi của khí hậu, qua đó làm sáng tỏ vai trò của hoạt động con người đối với BĐKH.
Ở qui mô khu vực, ngoài việc đánh giá sự biến đổi của khí hậu quá khứ, hiện tại và tương lai nói chung, đánh giá BĐKH còn chú trọng đến việc phân tích xu thế biến đổi, sự biến đổi đột ngột và tính chất biến động của các yếu tố và hiện tượng khí hậu. Bên cạnh đó, sự biến đổi của các hợp phần cấu thành khí hậu khu vực cũng được đề cập, như biến đổi của chế độ thủy văn, địa hình, bề mặt đệm, .v.v..
Ở qui mô quốc gia, vùng lãnh thổ và qui mô địa phương, đánh giá BĐKH được thực hiện ở mức độ chi tiết hơn, trong đó mục đích chủ yếu là cung cấp thông tin cho việc đánh giá tác động của BĐKH. Nói cách khác, đánh giá BĐKH ở qui mô quốc gia và địa phương nhằm trả lời các câu hỏi: 1) Khí hậu có thực sự biến đổi không, hay chỉ là những dao động tự nhiên? 2) Những
biểu hiện của BĐKH là gì? 3) Xu thế, mức độ và tính chất biến đổi của khí hậu như thế nào? v.v..
1.4.2 Phương pháp đánh giá biến đổi khí hậu.
1) Nguyên tắc chung
Về nguyên tắc, bài toán đánh giá BĐKH sẽ bao gồm: Đánh giá sự biến đổi của các khí nhà kính và xon khí trong khí quyển; sự biến đổi quan trắc được của nhiệt độ không khí, nhiệt độ đất và nhiệt độ đại dương, của lượng mưa, của các sông băng và các tảng băng, của mực nước biển và đại dương; sự BĐKH trong quá khứ và cổ khí hậu. Để giải quyết các bài toán đó một loạt vấn đề khác cũng cần phải được thực hiện, như nghiên cứu về các quá trình sinh địa hóa và chu trình cacbon, các chất khí và xon khí; số liệu vệ tinh và các nguồn số liệu khác; các mô hình khí hậu; dự tính khí hậu, những nguyên nhân gây BĐKH (http://www.ipcc.ch).
Cho mục đích ứng dụng, đánh giá BĐKH có thể được chia thành hai lớp bài toán: 1) Nghiên cứu, khảo sát những dấu hiệu, bằng chứng của BĐKH trong quá khứ và hiện tại; và 2) Dự tính sự biến đổi của khí hậu trong tương lai cho đến vài thập kỷ hoặc đến hết thế kỷ, thậm chí xa hơn nữa. Lớp bài toán thứ nhất được thực hiện dựa vào các chuỗi số liệu quan trắc lịch sử. Lớp bài toán thứ hai được thực hiện dựa trên sản phẩm của các mô hình khí hậu chạy với các kịch bản phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, cả hai lớp bài toán đều thực hiện việc phân tích, đánh giá sự biến đổi của các yếu tố và hiện tượng khí hậu dựa trên việc khảo sát những thuộc tính của chuỗi thời gian của các yếu tố và hiện tượng tương ứng. Những thuộc tính của chuỗi cần được nghiên cứu có thể là xu thế biến đổi (tăng, giảm theo thời gian), mức độ biến đổi (có thể dựa vào tốc độ của xu thế) và tính chất biến đổi.
Về phân bố không gian, trên qui mô toàn cầu, việc đánh giá BĐKH có thể tiến hành đối với các thành phần của phương trình cân bằng năng lượng và nước, tác động bức xạ, cấu trúc của các hệ thống hoàn lưu khí quyển và đại dương, thành phần khí quyển, các trường khí hậu cơ bản, các hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan, v.v.. Trên qui mô khu vực và các châu lục, việc đánh giá được chú trọng hơn vào cơ cấu của các trường khí hậu, đại dương, sự thay đổi trong sử dụng đất và các hiện tượng cực đoan khác. Còn ở qui mô quốc gia và địa phương, biến đổi của các yếu tố và hiện tượng khí hậu, trong đó bao gồm cả các hiện tượng cực đoan được đặc biệt nhấn mạnh.
Về cấu trúc thời gian, đánh giá BĐKH cần chỉ ra được những dao động và biến đổi nhiều năm, biến trình năm, biến trình ngày, như biến đổi giữa các thập kỷ, thậm chí giữa các thế kỷ, những biến đổi đột biến, cấu trúc mùa và biên độ dao động, v.v.
2) Một số phương pháp cụ thể
a. Đánh giá xu thế biến đổi: Thông thường xu thế biến đổi của một chuỗi thời gian được đánh giá thông qua phương trình hồi qui tuyến tính biểu thị sự phụ thuộc của yếu tố hoặc hiện tượng được xét (X) vào thời gian (t): X = a0 + a1t, trong đó a0 là hệ số cắt và a1 là hệ số góc. Trong nghiên cứu BĐKH, các thành phần kế cận của chuỗi thời gian thường cách nhau một năm, do đó đơn vị của t là năm. Dấu của hệ số góc a1 cho biết chuỗi có xu thế tăng (a1>0) hoặc giảm (a1<0). Để có kết luận chắc chắn về xu thế của chuỗi cần tiến hành kiểm nghiệm độ rõ rệt của hệ số góc a1.
Xu thế tuyến tính của chuỗi cũng có thể được xác định bằng phương pháp kiểm nghiệm Mann – Kendall. Xu thế của chuỗi thời gian được xác định thông qua việc so sánh độ lớn tương đối của các thành phần trong chuỗi chứ không phải xét chính giá trị của các thành phần. Nói cách khác, các thành phần trong chuỗi thời gian được so sánh với nhau theo thứ hạng lớn bé và không tính đến giá trị của chúng sai khác nhau bao nhiêu. Lợi thế của kiểm nghiệm này là không cần biết tập mẫu tuân theo luật phân bố nào. Một cách vắn tắt có thể mô tả phương pháp này như sau.
Giả sử ta có chuỗi thời gian {xt, t=1..n}. Mỗi một thành phần trong chuỗi sẽ được so sánh với tất cả các thành phần còn lại đứng sau nó (về thời gian). Giá trị thống kê Mann – Kendall (S) ban đầu được gán bằng 0 (tức là chuỗi không có xu thế). Nếu thành phần sau lớn hơn thành phần trước thì tăng S lên 1 đơn vị. Ngược lại nếu thành phần sau nhỏ hơn thành phần trước thì S bị trừ đi 1 đơn vị. Nếu hai thành phần có giá trị bằng nhau thì S sẽ không thay đổi. Tổng S sau tất cả các lần so sánh sẽ được dùng để đánh giá xu thế chung của chuỗi. Tức là ta có:
∑ ∑−
= = +
−
= 1
1 1
) (
n k
n k j
k
j x
x sign S
trong đó:
<
−
−
=
−
>
−
=
−
0 1
0 0
0 1
) (
k j
k j
k j k
j
x x khi
x x khi
x x khi x
x sign
Giá trị tuyệt đối của S càng lớn xu thế càng rõ. S dương thể hiện xu thế tăng của chuỗi và S âm thể hiện xu thế giảm của
chuỗi. Để có được nhận định chính xác về xu thế của chuỗi ta cũng cần kiểm nghiệm độ rõ rệt của S.
Ngoài ra cũng có thể sử dụng phương pháp kiểm nghiệm Spearman. Đây cũng là dạng kiểm nghiệm phi tham số mà nội dung của nó là kiểm nghiệm độ rõ rệt của hệ số tương quan Spearman (hay hệ số tương quan hạng) giữa hai chuỗi số liệu.
So với phương pháp hồi qui, các phương pháp kiểm nghiệm Mann – Kendall và kiểm nghiệm Spearman có ưu điểm là chúng không nhạy với những số liệu có chứa sai số thô và thích hợp hơn với những chuỗi số liệu biến động mạnh. Nhược điểm chính của các phương pháp này là không định lượng hóa được mức độ biến đổi.
Khi xét xu thế của chuỗi các yếu tố hoặc giá trị khí hậu cực trị, hệ số góc của phương trình xu thế tuyến tính là thước đo mang tính chính xác về định lượng. Nhưng do tính biến động mạnh của các đặc trưng cực trị, các kiểm nghiệm Mann – Kendall và Spearman có thể sẽ có ưu thế hơn, mặc dù chúng không cho phép ước lượng được mức độ tăng giảm của xu thế.
b. Đánh giá mức độ biến đổi: Mức độ biến đổi là sự biến đổi mạnh hay yếu, nhiều hay ít, càng ngày càng tăng hay giảm, tính biến động của sự biến đổi. Mức độ biến đổi có thể được đánh giá qua tốc độ tăng, giảm qua từng thời kỳ, tính biến động qua từng thời kỳ hoặc xu thế tăng giảm qua từng thời kỳ, sự biến đổi về biên độ dao động, hoặc sự gia tăng hay giảm đi của các dao động ngẫu nhiên. Mức độ biến đổi tuyến tính có thể được xác định bởi hệ số góc của phương trình xu thế. Trị số tuyệt đối của hệ số góc a1 của phương trình xu thế càng lớn mức độ biến đổi càng lớn và ngược lại.
c. Đánh giá tính chất biến đổi: Tính chất biến đổi có thể được xem xét từ nhiều góc độ khác nhau. Nếu quan tâm đến sự lặp lại của hiện tượng hoặc trị số xác định của yếu tố thì việc khảo sát tính chất biến đổi là xem xét tính dao động chu kỳ của chuỗi.
Nếu quan tâm đến tính biến động của yếu tố hoặc hiện tượng thì tính chất biến đổi là sự biến đổi của độ lệch chuẩn, của biên độ, hoặc của hệ số biến thiên.
Sự biến đổi của các cực trị tuyệt đối trong từng thời đoạn có thể được xem là biểu hiện của mức độ và tính chất biến đổi. Ở một chừng mực nhất định, các trị số này phản ánh tác động của biến đổi toàn cầu đến sự biến đổi của khí hậu địa phương và khu vực. Chẳng hạn, đối với nhiệt độ, nếu xu thế chung của nhiệt độ trung bình là tăng, nhưng sự tăng của nhiệt độ cực tiểu lớn hơn sự tăng của nhiệt độ cực đại, khi đó biên độ trung bình của nhiệt độ sẽ giảm. Tuy nhiên vẫn có thể xảy ra tình huống trong chuỗi số liệu nhiệt độ cực tiểu, giá trị cực tiểu tuyệt đối của những thời đoạn sau nhỏ hơn các thời đoạn trước. Như vậy tính biến động của nhiệt độ cực tiểu sẽ tăng lên theo thời gian.
1.4.3 Số liệu
Tương ứng với hai lớp bài toán đánh giá BĐKH đã nói trên đây sẽ là hai tập số liệu cần phải được chuẩn bị là số liệu phản
ánh điều kiện khí hậu quá khứ và hiện tại, và số liệu dự tính khí hậu tương lai.
Số liệu quá khứ và hiện tại có thể bao gồm hai bộ phận: Loại số liệu quan trắc gián tiếp hoặc tài liệu ghi chép, và loại số liệu đo đạc bằng các dụng cụ, thiết bị quan trắc.
Số liệu quan trắc gián tiếp có thể là kết quả của những phân tích các mẫu hóa thạch, lõi băng, vân cây, v.v., hoặc tài liệu ghi chép trong các kho lưu trữ, trong dân gian. Nói chung những số liệu này không nhiều và cũng chỉ đạt được độ chính xác nhất định.
Số liệu đo đạc trực tiếp bằng máy móc, dụng cụ mới chỉ có từ khoảng thế kỷ 17, nhưng chuỗi số liệu dài nhất ở qui mô toàn cầu mới chỉ bắt đầu có từ 1850. Tuy nhiên, tùy từng khu vực cụ thể độ dài của chuỗi quan trắc sẽ khác nhau. Chẳng hạn, ở Việt Nam số liệu quan trắc khí tượng mới chỉ có từ cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20, và rất nhiều trạm khí tượng mới chỉ bắt đầu quan trắc từ sau ngày giải phóng miền Nam. Mật độ phân bố mạng lưới trạm cũng rất khác nhau giữa các vùng khác nhau trên thế giới và nói chung phụ thuộc vào trình độ phát triển của từng quốc gia.
Từ các tập số liệu quan trắc ban đầu (số liệu gốc), các đặc trưng dẫn xuất hoặc các tập mẫu sẽ được xác định để lập thành các chuỗi số liệu mới làm cơ sở cho việc xử lí, tính toán, phân tích.
Số liệu dự tính khí hậu tương lai thường là sản phẩm của các mô hình khí hậu (mô hình toàn cầu hoặc mô hình khu vực). Trước hết các mô hình khí hậu toàn cầu được chạy để tính cho thời kỳ hiện tại với thời gian đủ dài (30 năm chẳng hạn), thậm chí cả thế kỷ 20. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình trong trường hợp này là các trường phân tích từ số liệu quan quan trắc về các thành phần khí quyển và những yếu tố có liên quan. Kết quả của mô hình sẽ được sử dụng để đánh giá khả năng tái tạo khí hậu hiện tại của mô hình đồng thời làm cơ sở để đánh giá BĐKH tương lai. Thời kỳ được chọn làm cơ sở được gọi là thời kỳ chuẩn hay thời kỳ cơ sở (baseline). Các mô hình toàn cầu sau đó được chạy để dự tính khí hậu tương lai dựa trên các kịch bản phát thải khí nhà kính. Trong trường hợp này, thành phần khí quyển (chủ yếu là các chất khí nhà kính), điều kiện bề mặt đệm, v.v. theo các kịch bản, sẽ được dùng để xác định điều kiện biên cho mô hình. Kết quả dự tính khí hậu tương lai (thế kỷ 21 hoặc xa hơn nữa) sau đó sẽ được so sánh với thời kỳ chuẩn để xây dựng các kịch bản BĐKH.
Do độ phân giải ngang của các mô hình toàn cầu hiện nay còn tương đối thô (thông thường khoảng 200-300km), chưa đủ chi tiết để mô tả điều kiện khí hậu địa phương và khu vực, nên để xây dựng các kịch bản BĐKH ở cấp quốc gia, vùng lãnh thổ và địa phương người ta thường hạ thấp qui mô (downscale) sản phẩm của mô hình toàn cầu bằng các mô hình thống kê hoặc mô hình khí hậu khu vực. Kết quả của việc hạ thấp qui mô này là các trường khí hậu có độ phân giải cao hơn, chi tiết
hơn, phản ánh đầy đủ hơn các quá trình qui mô vừa và nhỏ.